Il Ki-61 era complessivamente la migliore macchina tra quelle equipaggiate con il DB 601. Sebbene il Macchi 202 fosse un po' più veloce come velocità massima e di salita, il Kawasaki aveva un più basso carico alare e un'ottima armonizzazione dei comandi, ma soprattutto un'elevata autonomia, grazie a 550 litri di benzina (contro i 430 del Macchi), ed un migliore armamento, sebbene all'inizio fosse equipaggiato solo da due mitragliatrici da 12,7 mm e da due da 7,7 mm (come le versioni meglio armate del velivolo italiano). Combinando la quantità di carburante e la potenza di fuoco, la macchina era in grado di esprimere una maggiore polivalenza, a cui si aggiungeva la possibilità di usare bombe o serbatoi ausiliari praticamente come standard. In ogni caso, se il Ki-61 era il migliore, era anche l'ultimo dei caccia con il DB-601, e questo ritardo di 3 anni sui caccia tedeschi e 1 su quelli italiani non avrebbe mancato di causare problemi.
Per la fine del 1942 furono prodotti solo 33 aerei, quando ormai gli europei impiegavano il Daimler-Benz DB 605, come il Bf 109G. Il nomignolo in codice alleato era "Tony", proprio per la somiglianza con il Macchi 202.
Entrando in azione in Cina e negli arcipelaghi asiatici, il Ki-61 dimostrò pregi e difetti.
I punti di forza erano che in picchiata i caccia occidentali non potevano più ostentare superiorità: nessun P-40 poteva sfuggirgli in nessuna condizione di volo. Poi il Ki-61 non aveva tendenze né ad esplodere né ad incendiarsi, nonostante il grande quantitativo di carburante a bordo.
Tra gli inconvenienti v'era la manutenzione delicata e l'affidabilità del motore era molto inferiore a quella dei velivoli con motori radiali, dimostrando che le preoccupazioni originarie giapponesi non erano infondate (a causa anche dell'alleggerimento subito dal motore): nel trasferimento in Nuova Guinea circa 20 Ki-61 andarono persi per vari inconvenienti. Questo era uno dei principali teatri di operazioni dei primi tempi di servizio dello Hien.
Gli aerei delle basi avanzate in climi tropicali soffrivano molto e il DB 601 perdonava meno del Merlin quanto a manutenzione, con i carburanti a basso numero di ottani disponibili. A parte questo, gli alleati colpirono duramente gli aeroporti giapponesi distruggendo un gran numero di aerei nemici. Il piano giapponese d'invadere l'Australia finì miseramente con il sacrificio di uomini e macchine durante il 1943-44.
In Cina le cose andarono diversamente, vista la comoda posizione tattica dei giapponesi e la vicinanza della madrepatria, che permetteva anche rifornimenti di carburante e lubrificanti di qualità adatta alla macchina.
La necessità di avere armi di maggior calibro impose lo sviluppo di una mitragliera moderna calibro 20 mm in Giappone, ingrandendo la Ho-103, a sua volta copia della Browning M2 statunitense. Nel frattempo un sommergibile italiano giunse con 800 cannoncini MG 151/20 da 20 mm che furono usati per l'armamento alare nel primo lotto di caccia Ki-61. In tutto il 1943 furono prodotti circa 700 aerei, e l'anno dopo lo standard produttivo passò a caccia armati con il 20 mm alare. Questo aumentò il peso, ma lo si ritenne necessario per migliorarne le prestazioni.
A quel punto il Ki-61 aveva un peso a vuoto di 2.600 kg: superava di 200 chili il Macchi e di 600 il Bf-109E, equipaggiati con gli stessi motore e armamento. La Macchi installò le MG 151/20 in un solo esemplare sperimentale del suo M.C. 202. Il fatto che esso abbia continuato ad avere un buon comportamento in volo era già notevole grazie all'ala e ai comandi, ma la carenza di potenza non era trascurabile come intercettore, specie in salita, dove era superato anche da diversi tipi di vecchi biplani da caccia, più leggeri (7 minuti per 5.000 m contro i 9 per i 6.100 con il Gloster Gladiator, per esempio).
A quel punto, nel 1944, gli avversari (sia in quantità che qualità) risultavano superiori e gli Hien, pur dotati di un armamento migliorato, non erano più sufficienti per affrontarli adeguatamente: occorreva anche un motore più potente, che ripristinasse almeno le prestazioni del prototipo, che era più leggero di circa 400 kg. Ma lo sviluppo della versione giapponese del DB 605 fallì per l'inaffidabilità dimostrata nei primi test di volo, e il nuovo Ki-61-II non ebbe conseguentemente successo. Solo un centinaio di motori vennero prodotti, ma la metà venne rimandata in ditta a causa dei difetti rilevati.
Dopo che un terribile bombardamento dei B-29 distrusse tale impianto, i Ki-61 non ebbero più un motore a cui affidarsi. Le cellule vennero quindi rimotorizzate con un nuovo propulsore, lo Ha-112 da 1.500 cavalli, un radiale di ridotto diametro, che lo trasformò, assumendo la denominazione Ki-100, in un eccellente apparecchio, da molti considerato il migliore dei caccia giapponesi. Pur risultando leggermente più lento del Ki-84, a differenza di questo pare non soffrisse alcun problema di affidabilità.
Nel frattempo, i Ki-61 continuarono a combattere con grande impegno anche durante la difesa aerea del loro paese nel 1944-45, fino alla fine delle ostilità, spesso con attacchi suicidi Tai Atari. Un pilota giapponese, Teruhiko Kobayashi venne addirittura accreditato di una dozzina di B-29 abbattuti, due dei quali con scontri diretti. A prescindere dall'accuratezza delle vittorie dichiarate, molto maggiori dei successi effettivi, questi scontri dimostrano come i Ki-61 potessero attaccare i B-29, nonostante le prestazioni ad alta quota che questi possedevano. Dal momento che i caccia giapponesi di questo tipo erano essenzialmente diurni, gli incontri con i bombardieri americani avvenivano solo quando questi eseguivano delle missioni ad alta quota. La scarsa disponibilità di carburante ridusse le ore di volo che i nuovi piloti potevano beneficiare per l'addestramento, oltre a peggiorare la qualità delle prestazioni delle macchine. Pertanto, gli esiti della guerra aerea non potevano più essere ribaltati nemmeno con i caccia più moderni. Alla fine della guerra, i Ki-61 e 100 erano ancora delle macchine capaci di combattere, certamente superiori agli Zero e Oscar, ma non abbastanza per difendere anche lo stesso territorio metropolitano dall'offesa aerea. I piloti giapponesi non si diedero mai per vinti, e arrivarono anche alle azioni kamikaze per fermare l'avanzata nemica, anche se solo marginalmente in tali azioni estreme vennero coinvolti i Ki-61 Hien, che si preferì usare come intercettori fino alla fine, quando ancora nel tardo agosto 1945 tentarono di abbattere uno dei pochi B-32 Dominator, il velivolo perdente del concorso vinto dal B-29, ma prodotto in pochi esemplari e usato perché era comunque migliore del suo predecessore B-24. Certamente vennero usati anche nel settembre di quell'anno contro i sovietici in Asia, ma non sono noti particolari di quelle ultime, disperate azioni belliche della seconda guerra mondiale.